无线物联：为煤矿安全生产保驾护航

房卫东　熊勇　付文俊　李长录

煤矿工业安全现状

我国是一个煤炭大国，已探明煤炭存储量居世界第三，煤炭开采量世界第一。因国家能源对煤炭的依赖程度很高，煤炭工业在我国国民经济领域发挥着举足轻重的作用。然而近年来，诸多煤矿特大事故的发生令人触目惊心，严峻的安全生产形势迫使煤炭企业在国家政策的强力支持下，寻求煤矿安全生产信息化解决方案和相关产品。

为了减少煤炭安全生产事故，提高煤炭企业的科技水平，国家将自动化、信息化、数字化矿井列入煤炭行业发展规划，明确要求加大高科技投入，强制煤矿生产必须配备瓦斯监控、视频监控、井下通信和人员定位等信息设备。

对煤炭行业而言，完整的生产安全检测措施不仅能有效提高煤矿生产效率，更是煤炭安全生产的重要保障。煤矿安全监测系统通常需要对井下内部多种指标进行数据采集，如温度、湿度、各种气体浓度及粉尘等。

现有监测系统一般都采用有线方式，进行矿下环境信息传递。而随着煤炭生产挖掘、井下结构变化，坑道空间变得越来越狭窄，此时有线通信线路维护和延伸会更加困难，一旦线路发生故障，整个监测系统也随之瘫痪。

目前，煤矿自动化系统技术应用在煤矿安全生产中，还存在诸多问题：首先，感知手段传统单一，如瓦斯传感器还是以传统笨重的催化元件为主，没有MEMS微机电化集成传感器。

其次，缺乏泛在感知网络，基本没有统一的地下无线覆盖感知层网络，不能适用于煤矿流动作业，危险源位置、分布、及其流动规律均不确定的场合，存在很大的感知盲区，无法做到无缝覆盖。

另外，缺乏应用层面的信息融合，缺乏应用系统之间的联动与信息融合、决策融合等问题。

此外，多学科交叉研究不够，重大灾害产生的机理，煤矿设备故障诊断与预测等多学科研究融合不充分等问题严重影响了煤矿安全生产。

最后要提出的是当前煤矿工业生产没有充分考虑到节能减排。节能减排工作对中国可持续发展具有重要意义，目前我国在节能降耗方面仍面临很大压力，节能降耗投入不足，煤矿安全生产中的节能减排重点项目建设滞后，导致煤矿安全系统能耗高、成本大，很难普及。

物联网护航煤矿安全

煤矿安全生产关系到人民群众的生命和财产安全，各级政府一贯重视煤矿安全生产问题，并采取一定措施不断加强安全生产工作。

由于煤炭生产系统复杂，工作场所黑暗狭窄，人员集中，采掘工作面随时移动，地质条件的变化会使工作面不断出现新情况和新问题，如果不及时采取相应的有效措施，可能会导致重大灾害事故，给安全生产带来隐患。

如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系？准确、实时、快速履行煤矿安全检测职能显得尤为重要，有效进行矿工管理，保证抢险救灾、安全救护的高效运作已刻不容缓。

调查数据显示，当前煤矿生产的安全隐患很大一部分源于矿下信息采集不足、对事件情况掌控不力所造成。因此，煤矿工业安全管理的前提条件是有力的信息感知手段与可靠的信息传输设备。物联网技术的出现，特别是各种新型感知方式的出现，为煤矿安全生产提供了有效保障。

物联网具有全面感知功能，可以利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息，可以有效感知矿下信息，从而采取相应措施；通过可靠传递，通过各种无线网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去，也为高效能源利用提供了便利。最后经过智能处理，利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制，可以建立具有现实意义的煤矿立体安全体系。

运用物联网技术，可以积极推动煤炭生产安全化监控系统研发、提升信息化水准，能够大力促进煤炭行业的工业效率和安全保障，加快煤矿生产安全监控信息化的步伐。

当前，具有典型物联网技术特征的系统与设备涉及井下人员无线定位系统，无线自诊断催化燃烧式甲烷、电化学一氧化碳传感器，无线催化燃烧式甲烷、一氧化碳便携检测报警仪等若干应用。

基于Zigbee的井下人员无线定位系统

进行井下人员跟踪定位、实时监控，可以有效管理人员安全，保障安全生产。由于煤矿工作场所的特殊性，采用无线通信的方式具有易部署、易维护、易实现的特点，被多数井下定位系统所采用。

Zigbee是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准，但基于此技术的通信产品和应用迅速得以普及并高速发展。Zigbee并不是完全独有的、全新的通信标准，它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802.15.4（无线个人区域网）协议标准，并在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高层应用规范（API）由Zigbee联盟进行制定。

Zigbee协议栈架构

Zigbee网络以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、片状或网状的网络，每个节点的功能各有其特点（并非都相同）。为降低成本，基于矿用人员定位系统的大部分节点为子节点，在组网通信上，它只是某功能的一个子集，称为精简功能设备；而另外还有一些节点，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称之为全功能设备（也称为协调器）。

片状结构的Zigbee网络

以先进的Zigbee无线网络技术为平台，可以建立全新的井下人员定位安全系统。采用基于RSSI的测距技术，结合先进的节点定位算法，可以对井下人员进行比较精确的实时定位。其运行平台——基于ARM处理器的嵌入式Linux系统，结合了ARM微处理器、嵌入式Linux、数据库等技术，可以设计一套定位精度高、实时性强、功能完善的井下人员定位安全系统。

完成各部分程序的设计思路及实现过程包括串口通信、Socket网络通信、数据库访问接口等多个模块。实现了真正意义上的井下人员实时定位，并依靠Zigbee技术自身的特点，彻底消除了人员漏检现象。

基于路径搜索的井下人员定位算法，充分考虑了井下结构特点、井下人员运动分布规律和信号的传播特性，运算量小、定位准确，适合井下环境的大规模部署，使管理人员能够随时掌握井下人员、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。

当事故发生时，井下人员可以通过持有的定位卡片向地面机房求救，救援人员也可根据井下人员及设备定位系统所提供的数据，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。

无线自诊断传感器

煤矿井里甲烷和一氧化碳浓度指标的实时监控和及时报警，对矿井安全管理起着重要作用。寿命长、抗干扰的甲烷、一氧化碳传感器可在井底复杂环境中发挥更大作用。

传统的传感器采用电流、频率等模拟量输出，而全新设计的改进型传感器采用全数字接口，极大地增加了信号传输的抗干扰能力。

在内部功能的设计上，对传感器关键电路进行了优化设计，大大提高了传感器寿命，采用自适应灵敏度校准的功能，延长了传感器人工校准的时间，并且大幅度提高了设备的灵敏度和准确率。

在板级功能上，对关键部位的电压进行实时监控，可以在第一时间内检查出电路问题，并及时向上位机报警，从而避免了数据的误报。

在抗干扰能力上，从硬件设计，软件设计，协议设计和传输线等各方面进行了改进，增强了系统纠错能力以及提高了EMC抗干扰能力，增加了系统的稳定性，减小了设备故障概率和出错率。

该传感器增加了无线传输模块，可以在100米外将数据传输到无线接入点，为井下无线传感器网络提供了软硬件平台，可以通过远程无线传输数据到分站，实现传感器设备的无线组网，为数据采集和传输提供了极大的便利。

最后值得强调的是，无线自诊断催化燃烧式甲烷、电化学CO传感器的EMS抗干扰能力不低于3级。

无线便携检测报警仪

与固定的甲烷及一氧化碳监控和报警系统相比较，便携式报警仪在部署成本以及使用方面具有一定优势。

便携式甲烷检测报警仪采用热催化敏感元件，单片机智能控制、带四位数码管显示的矿用本安兼隔爆型检测报警设备。适用于具有甲烷、煤尘等爆炸性混合物的煤矿井下环境。

与其它同类产品相比，便携式甲烷检测报警仪具有以下特点：稳定可靠，智能化程度高；仪器设置与操作都十分方便，可用键盘调整仪器零点、灵敏度、报警点。

便携式甲烷检测报警仪具有无线收发模块，无遮挡无线通信距离大于100米，1S内可以发送和接受32组物理量测量值、时间、地址信息、仪器编号，具有信息无线上传功能。其小巧美观的便携设计非常便于移动使用。

一氧化碳报警器采用单片机技术和高灵敏抗中毒型气体传感器，能自动适应环境的变化，自动修正传感器的老化曲线，保持恒定的报警灵敏度。

一氧化碳报警器具备识别传感器故障及提供高浓度气体超限保护的能力。当传感器由于老化而可能失去功能时，能自动识别并报警，有效避免了漏报。具有多种自适应能力；使用超高亮LED 数码管显示，直观清晰；具有无线收发模块，无遮挡无线通信距离大于100米，1S内可以发送和接受32组物理量测量值、时间、地址信息、仪器编号，具有无线上传功能。小巧美观的便携设计便于移动使用。此外，便携式检测报警仪的EMS抗干扰能力不低于3级。

温家宝总理指出“加快物联网的研发应用，抢占经济科技制高点”，标志着物联网正式进入我国国家战略层面。而煤矿安全生产涉及范围广、影响面大、社会敏感性强，同时也是社会生产力进步和企业文明的重要标志。利用物联网技术实现全面感知、可靠传递、智能处理、数据分析，实施智能化控制，建立具有现实意义的煤矿立体安全体系，对我国煤炭工业乃至整体国民经济的发展都具有至关重要的战略意义。